Highly efficient magnetic domain wall motion driven by spin-orbit torque in rare-earth free single crystal nitrides.

无稀土单晶氮化物中自旋轨道扭矩驱动的高效磁畴壁运动。

• 批准号: 21J10330
• 负责人: 小森 太郎
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J10330/
• 关键词: スピントロニクス; 電流駆動磁壁移動; 分子線エピタキシー; 窒化物材料

研究代表者はマンガン系窒化物薄膜で、スピン軌道トルクを利用した高効率な電流駆動磁壁移動の達成を目指した。2022年2月より、共同研究先かつ提携大学院であるグルノーブルアルプ大学/CEA (フランス)に渡航し、筑波大学で成膜した高品質な単結晶マンガン窒化物薄膜を細線に加工し、電流駆動磁壁移動実験を遂行した。研究代表者はスピン軌道トルクの利用に必要なプラチナが堆積されたマンガン窒化物薄膜において、最高で400m/sの磁壁移動速度を電流のみによって記録した。しかしこの記録は、プラチナ層を堆積していない、スピン移行トルクのみによって達成された速度より遅いものであった。研究者は、面内磁場下での電流及び面直磁場による磁区の拡大や磁壁移動について調べることで、上記の結果の差異の解明を試みた。結果として、滞在中で行った実験からは、スピン軌道トルクによる磁壁移動への寄与は確認されなかった。また、電流印加による細線内での磁区の核発生が比較的容易に発生するという結果も得られた。このことから、研究者は磁壁移動速度に差異が生じた理由を、細線内の電流の殆どがPtに流れており、そのPtが放出するジュール熱によって隣接するマンガン系窒化物薄膜の熱攪乱が生じたためと考察した。このため、今後の共同研究計画としては、プラチナ同様にスピン軌道トルクの利用に寄与し、プラチナよりも抵抗率が大きいタングステンの活用を検討する。また、二次イオン質量法により、重金属とマンガン界面で合金の形成の有無を確認し、必要に応じてマンガン系窒化物上への重金属のスパッタ条件についても最適化を行う。

主要研究人员的目标是使用锰基氮化物薄膜利用自旋轨道扭矩实现高效的电流驱动畴壁运动。从2022年2月起，他将前往格勒诺布尔阿尔卑斯大学/CEA（法国）联合研究目的地和附属研究生院，将筑波大学沉积的高质量单晶氮化锰薄膜加工成细线，并创建进行了电流驱动畴壁的移动实验。首席研究员仅使用电流在沉积有铂的氮化锰薄膜中记录了高达 400 m/s 的磁畴壁移动速度，这是利用自旋轨道扭矩所必需的。然而，这一记录比仅使用自旋转移扭矩而不沉积铂层所达到的速度要慢。研究人员试图通过研究面内磁场和垂直磁场下电流引起的磁畴扩展和磁畴壁移动来阐明上述结果的差异。因此，在停留期间进行的实验并未证实自旋轨道扭矩对磁畴壁运动的贡献。此外，结果表明，由于施加电流，细线内的磁畴成核相对容易发生。由此，研究人员认为，磁畴壁移动速度差异的原因是细导线中的大部分电流流经Pt，Pt释放的焦耳热对相邻的锰基氮化物薄膜造成热扰动。认为这是由于该现象的发生造成的。因此，未来的联合研究计划将考虑使用钨，与铂一样，钨有助于利用自旋轨道扭矩，并且具有比铂更高的电阻率。另外，使用二次离子质量法确认重金属与锰的界面有无合金形成，并根据需要优化向锰系氮化物溅射重金属的条件。

项目成果

Current induced domain wall motion in Mn4-xNixN benefited from the compensation at room temperature

Mn4-xNixN 中电流引起的畴壁运动受益于室温补偿

• 发表时间: 2022
• 作者: T. Komori; S. Ghosh; A. Hallal; J. P. Garcia; T. Gushi; T. Hirose; H. Mitarai; H. Okuno; J. Vogel; M. Chshiev; J.;S. Pizzini
• 通讯作者: S. Pizzini

Current-Driven Domain Wall Dynamics in Ferrimagnetic Nickel-Doped Mn4N Films: Very Large Domain Wall Velocities and Reversal of Motion Direction across the Magnetic Compensation Point.

亚铁磁镍掺杂 Mn4N 薄膜中的电流驱动畴壁动力学：非常大的畴壁速度和穿过磁补偿点的运动方向反转。

• DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00125
• 发表时间: 2021-01-11
• 期刊: Nano letters
• 影响因子: 10.8
• 作者: S. Ghosh;T. Komori;A. Hallal;J. Antonio García;T. Gushi;Taku Hirose;Haruka Mitarai;H. Okuno;J. Vogel;M. Chshiev;J. Attan'e;L. Vila;T. Suemasu;S. Pizzini
• 通讯作者: S. Pizzini

Anisotropic magnetoresistance in Mn4-xNixN and the change in the crystalline field

Mn4-xNixN 中的各向异性磁阻和晶体场的变化

• DOI: 10.1063/5.0107172
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 3.2
• 作者: Komori Taro;Mitarai Haruka;Yasuda Tomohiro;Ghosh Sambit;Vila Laurent;Attan? Jean;Honda Syuta;Suemasu Takashi
• 通讯作者: Suemasu Takashi

Magnetic structure of 3d-element doped Mn4N films confirmed by X-ray magnetic circular dichroism ? Conditions for magnetic compensation

X 射线磁圆二色性证实了 3d 元素掺​​杂 Mn4N 薄膜的磁性结构 ?

• DOI: 10.1016/j.jmmm.2022.170050
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 2.7
• 作者: Komori Taro;Horiuchi Takumi;Mitarai Haruka;Yasuda Tomohiro;Amemiya Kenta;Suemasu Takashi
• 通讯作者: Suemasu Takashi

Reversal of domain wall motion at angular momentum compensation point in ferrimagnetic Mn4-xNixN

亚铁磁 Mn4-xNixN 中角动量补偿点磁畴壁运动的反转

• 发表时间: 2022
• 作者: T. Komori; S. Ghosh; A. Hallal; J. P. Garcia; T. Gushi; T. Hirose; H. Mitarai; H. Okuno; J. Vogel; M. Chshiev; L. Vila; T. Suemasu; S. Pizzini; J.
• 通讯作者: J.